Автоматизация артезианской скважины

Министерство образования и науки Российской Федерации

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Институт Информационных технологий и управляющих систем

Кафедра технической кибернетики

Курсовая работа

Дисциплина: Техническое и программное обеспечение информационных систем в промышленности

Автоматизация артезианской скважины

Выполнила:

студентка группы ИТ-51

Автомонова Алёна

Принял:

доктор техн.наук, профессор

Магергут Валерий Залманович

Белгород 2013

Содержание

Введение

. Описание технологического процесса

. Проектирование функциональной схемы автоматизации

.1 Анализ контролируемых и регулируемых параметров

. Проектирование экранной формы в SCADA-системе Trace Mode 6

.1 Краткие сведения о SCADA-системе Trace Mode 6

.2 Разработка экранной формы

.3 Проектирование контура регулирования давления водопровода

.4 Проектирование информационных контуров

. Расчет пропускной способности клапана

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

Автоматизация это технологический процесс, без которого не обойдётся ни одно предприятие. За последние несколько лет широкое распространение в сфере науки и новых технологий получило такое понятие, как автоматизация технологических процессов и производств. Автоматически процессы не стоят на месте, их совершенствуют с каждым годом, то есть автоматизируют

Автоматизация производства - это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без участия человека, но под его контролем. Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции. Автоматика позволяет меньше времени тратить на контроль производственного процесса, уменьшать численность обслуживающего оборудование персонала, повышать надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и повышает безопасность производства.

Автоматизация технологического процесса - совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.

Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП.

Основа автоматизации технологических процессов - это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности).

Основными целями автоматизации технологического процесса являются:

·        Повышение эффективности производственного процесса.

·        Повышение безопасности.

·        Повышение экологичности.

·        Повышение экономичности.

АСУ ТП могут состоять из отдельных систем автоматического управления (САУ) и автоматизированных устройств, которые образуют единый комплекс. АСУ ТП имеет в своем составе систему операторского управления и мониторинга технологическими процессами в виде так называемого пульта управления, средства обработки и архивирования технологических данных о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики (полевой уровень), контроллеры (PLC), исполнительные устройства. Для обмена данными в АСУ ТП используются промышленные сети.

Современная автоматизация - это и компьютеры, и контроллеры, и датчики, и промышленные сети, и, конечно, программное обеспечение. Прграммное обеспечение SCADA занимает в этом ряду особое место. SCADA-системы являются неотъемлемой частью автоматизированных систем управления технологическими процессами. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных) - программное обеспечение для сбора, обработки, визуального отображения и архивирования технологической информации об объекте управления.

Целью выполнения курсовой работы является получение навыков:

) проектирования информационно-измерительных каналов (ИИК) технологических величин процесса, протекающего в том или ином промышленном объекте, и автоматических систем регулирования (АСР) с использованием SCADA систем;

) создания экранной формы автоматизируемого объекта;

) проведения расчетов показателя технологического процесса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

)        Произвести сбор информации о технологическом процессе артезианской скважины.

)        Спроектировать ФСА. Схема должна содержать не менее одного контура регулирования и не менее двух контуров контроля.

1. Описание технологического процесса

Артезианская скважина - это буровая скважина, которая пробурена для эксплуатации подземных вод.

Артезианские водоносные горизонты залегают между двумя водоупорными слоями и надежно защищены от поверхностного загрязнения. В отличие от грунтовых вод они часто имеют отдаленную область питания - за несколько километров и даже за десятки и сотни километров. При вскрытии скважины уровень артезианской воды всегда устанавливается значительно выше водоупорной кровли водоносного горизонта, а иногда артезианская вода сама изливается из скважины (фонтанирует). На тех участках, где артезианские воды получают питание, они приобретают характер или грунтовых со свободной поверхностью, или межпластовых грунтовых вод.

Глубина артезианской скважины составляет более 50 м, чаще всего 80 м. Вода из артезианской скважины отличается отличным качеством. Загрязнения с поверхности земли не имеют никакой возможности попасть в известняковый слой, поэтому единственным недостатком воды может быть повышенное содержание железа и минералов. Поэтому, как и в случае более мелких скважин, пробуренных до грунтовых вод, понадобится очистка воды для применения её в пищевых целях.

Артезианская скважина - это практический неиссякаемый источник воды. Она быстро наполняется свежей водой, из неё можно выкачивать на порядок больше воды, чем из скважин, пробуренных на песок, - до 5 кубометров в час. Срок эксплуатации артезианской скважины также значительно больше по сравнению со сроком службы более мелких скважин. При постоянной (не сезонной) эксплуатации артезианская скважина прослужит десятки лет.

Основным недостатком артезианской скважины является её стоимость.

Во-первых, её глубина значительно больше и само бурение потребует больших затрат, бурение артезианской скважины занимает несколько дней. Во-вторых, потребуется большее количество обсадных труб.

Описание системы:

Насос из скважины закачивает воду в открытую промежуточную накопительную емкость, располагающуюся в подвале жилого дома, из которой одна насосная станция Н1 качает воду на дом, а вторая Н2 - на полив и технические нужды. Причем отбор воды для насосной станции полива располагается у самого дна накопительной емкости НБ. Это позволяет удалять накапливаемый на дне накопительной емкости НБ в процессе работы системы водоснабжения ил, а также опорожнять емкость в случае необходимости. Отбор же воды на водоснабжение дома берется на расстоянии около 100 мм от дна. Также на линии водоснабжения дома установлен фильтр.

Для защиты от сухого хода погружного насоса ПН на выходе установлен датчик протока ДП. При получении сигнала на запуск погружного насоса ПН требуется через 3-5 сек. после старта включать контроль состояния датчика протока ДП. Если по истечении этого времени датчик протока ДП не размыкает свои контакты, то система отключается примерно на 10 мин. (время заполнения скважины), после чего процесс запускается заново. Если же процесс сразу запустился удачно, и по истечении определенного времени скважина осушилась, то датчик протока замкнет свои контакты, и через 3-5 сек. система отключается также на 10 мин. для заполнения скважины.

Сигналы управления погружным насосом ПН поступают от датчиков верхнего и нижнего уровней (ВУ и НУ). То есть при замыкании датчика нижнего уровня НУ запускается погружной насос ПН. После заполнения емкости и размыкания датчика верхнего уровня ВУ погружной насос ПН отключается. Для защиты от возможного перелива емкости при выходе из строя датчика верхнего уровня устанавливается датчик верхнего аварийного уровня ВАУ. При срабатывании датчика верхнего аварийного уровня ВАУ происходит отключение погружного насоса ПН. При этом после того, как

уровень воды начнет падать и датчик верхнего аварийного уровня разомкнется по истечении 3 мин. (время осушения накопительной емкости при одновременно включенных обеих насосных станциях), погружной насос ПН вновь включится. То есть система как бы переходит на работу от датчика верхнего аварийного уровня с работой по установке времени.

Для защиты насосных станций от сухого хода в накопительной емкости НБ установлен датчик нижнего аварийного уровня НАУ, при срабатывании которого блокируется их работа. При срабатывании датчиков аварийного верхнего ВАУ и аварийного нижнего НАУ уровней выдается прерывистый звуковой сигнал.

Реализовать схему управления представленной системы водоснабжения жилого дома можно на базе промежуточных реле и реле времени. Но в большинстве случаев их можно заменить одним программируемым реле ПР110 производства компании «ОВЕН».

Рис. 1. Функциональная схема автоматизированной системы управления насосами артезианских скважин и станций водозабора

автоматизация артезианский скважина водопровод

2. Проектирование функциональной схемы автоматизации

.1 Анализ контролируемых и регулируемых параметров

Согласно задаче курсового проекта необходимо спроектировать в SCADA-системе Trace Mode 6 действующую экранную форму, на которой представлен один контур регулирования и два информационных контура.

Для реализации в SCADA-системе TRACE MODE 6 были выбраны следующие контуры системы:

Регулирующий:

.        Регулирование давления воды в водопроводах в соответствии с уровнем воды;

.        Уровень воды в накопительной емкости.

Информационные:

.        Расход воды водопровода дома;

.        Расход воды водопровода полива;

.        Количество воды в накопительной емкости;

Функциональная схема автоматизации представлена на рисунке 2.

Рис. 2.Функциональная схема автоматизации артезианской скважины

3. Проектирование экранной формы в SCADA-системе Trace Mode 6

.1 Краткие сведения о SCADA-системе Trace Mode 6

Для выполнения поставленной задачи курсовой работы необходимо спроектировать ФСА в виде действующей экранной формы, выполненной в SCADA системе Trace Mode 6.

Инструментальная система TRACE MODE 6 - это универсальное средство разработки и отладки приложений для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и управления производством (АСУП).

Инструментальная система TRACE MODE 6 состоит из интегрированной среды разработки и отладочного монитора реального времени - профайлера.

Интегрированная среда разработки TRACE MODE 6 представляет собой единую программную оболочку, объединяющую все основные компоненты инструментальной системы:- систему программирования контроллеров; /HMI - систему разработки распределенной АСУТП; EAM-HRM - экономические модули, объединенные общим названием T-FACTORY.exe™ - для создания АСУП, полностью интегрированных с АСУТП.

В интегрированную среду разработки TRACE MODE 6 встроены более десяти редакторов, автоматически открывающихся при вызове того или иного компонента проекта. Среди них:

Редактор графических экранных форм;

Редактор программ на визуальном языке Techno FBD;

Редактор программ на визуальном языке Techno SFC;

Редактор программ на визуальном языке Techno LD;

Редактор программ на процедурном языке Techno ST;

Редактор программ на процедурном языке Techno IL;

Редактор шаблонов документов;

Редактор SQL-запросов;

Редактор паспортов оборудования (EAM);

Редактор персонала (HRM);

Редактор материальных ресурсов (MES);

Все компоненты проекта - экраны, программы, SQL-запросы, шаблоны документов, каналы TRACE MODE и источники данных связаны между собой через аргументы. Аргументы позволяют достичь максимальной гибкости при создании связей между отдельными компонентами. Например, данные из программы в контроллере могут быть напрямую связаны с отображением на экране операторской станции или с формой планирования производства MES, для этого необязательно создавать дополнительные каналы.

Источники данных - сигналы с УСО и контроллеров создаются и конфигурируются в системе автоматически с помощью автопостроения. Это позволяет избежать ошибок ручных привязок и значительно сократить время разработки проекта.

Интегрированная среда разработки TRACE MODE 6 ориентирована на широкий круг специалистов и умеет подстраиваться под квалификацию разработчика АСУТП и АСУП. При создании проекта можно выбрать стиль разработки: простой, стандартный или продвинутый.

Интегрированная среда разработки TRACE MODE 6 может запускаться параллельно с исполнительным модулем - Монитором реального времени (МРВ) на одном ПК, что очень удобно для сопровождения малых АСУТП.

Инструментальная система разработки TRACE MODE 6 снабжена специальным отладочным монитором реального времени - профайлером. Это разновидность исполнительного модуля TRACE MODE, предназначенная для отладки проекта АСУТП в реальном времени. Профайлер протоколирует все свои действия в текстовом файле. Профайлер - это самостоятельное приложение, но проект может быть запущен в нем из интегрированной среды разработки TRACE MODE 6 нажатием одной кнопки на панели инструментов.

Интегрированная среда разработки TRACE MODE 6 это уникальное сочетание богатейшей функциональности и интуитивности интерфейса. Практика показывает, что использование интегрированной среды разработки позволяет экономить до 30% рабочего времени по сравнению с применением разрозненных редакторов SCADA/HMI и систем программирования контроллеров. А интеграция экономических модулей T-FACTORY и SCADA системы TRACE MODE открывает ранее недоступные возможности для оптимизации производства в целом.

.2 Разработка экранной формы

Средства визуализации - одно из базовых свойств SCADA-систем.

Для специалиста-разработчика систем автоматизации, как и для специалиста-технолога, чье рабочее место создается, очень важен графический пользовательский интерфейс. В каждой SCADA-системе существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Объекты могут быть простыми (линии, прямоугольники, текстовые объекты и т.д.) и сложными. Все SCADA-системы включают библиотеки стандартных графических символов, библиотеки сложных графических объектов, имеют целый ряд других стандартных возможностей.

При создании проекта в SCADA-системе TRACE MODE 6 использовала такие графические объекты, как «Текст», «Кнопки», «Цилиндр», «Клапан», «Труба», «Ползунок», «Тренд», «Выключатель».

Разработанная экранная форма представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Разработанная экранная форма

Для построения регулирующего и информационных контуров были введены следующие переменные (рис.4.):

Рис. 4. Переменные программы

3.3 Проектирование контура регулирования давления водопровода

Функцию регулирования будет выполнять программный ПИ-регулятор, который настроила для работы с нашими данными. Схема регулирования представлена на рисунке 5.

Рис.5.Структура АСР

·        Функция объекта для водопровода дома имеет следующий вид:

В соответствии с коэффициентами функции объекта подобраны оптимальные настройки ПИД-регулятора (по графикам А.П. Копеловича,  см.рис. 3.3.1):

τ / T = 3 / 7 = 0,43,

Рис.3.3.1. График Копеловича для апериодического процесса

·        Функция объекта для водопровода полива имеет следующий вид:

В соответствии с коэффициентами функции объекта подобраны оптимальные настройки ПИ-регулятора (см.рис. 3.3.2):

Рис.3.3.2. График Копеловича для апериодического процесса

Учитывая полученные значения, разработала FBD-диаграммы. Они представлены на рисунке 6 и 7:

Рис.6. Структура FBD-диаграммы для контура регулирования_1

Рис.7. Структура FBD-диаграммы для контура регулирования_2

Значения заданного давления можно указать в ползунке (см. рис. 8). Так как давление для водопровода при уровне артезианской скважины в 150 метров не должно превышать 16 баров, то и максимальное значение было установлено в соответствующее давление. Информацию о реальном давлении воды можно посмотреть через объект «Стрелочный прибор» (см. рис. 9).

Рис.8. Ползунок задания давления воды и его свойства

Рис.9. «Стрелочный прибор» и его свойства

Значение давления воды в реальном времени отображаются на тренде вместе со своими заданными значениями (см. рис.10):

Рис.10. Трендер давления на водопроводе

.4. Проектирование информационных контуров

Проектирование было выполнено на языке Техно FBD. Для выполнения поставленной задачи были созданы переменные (рисунок 11):

Рис.11. Переменные в основной программе

Для контроля расхода воды, количества воды в емкости, которая должна находиться в рамках ВАУ и НАУ были использованы FBD-блоки следующих типов: Арифметические, Регулирование, Сравнение. Структура разработанной FBD-диаграммы представлена на рисунке 12:

Для того чтобы более наглядно представить работу при превышении ВАУ были добавлены логические переменные и соответсвтвующая им разработанной FBD-диаграмм (см. рис. 13):

Рис.13. Структура FBD-диаграммы

Таким образом, проектируемая экранная форма в SCADA-системе TRACE MODE выглядит как на рисунке:

Рис.14. Итоговая экранная форма

4. Расчет пропускной способности клапана

Необходимо рассчитать пропускную способность клапана в водопроводе.

Работа регулирующего клапана характеризуется величиной пропускной способности Kv, м3/час, и пропускной характеристикой. Коэффициент условной пропускной способности равен расходу жидкости через клапан в м3/час с плотностью 1000 кг/м3, при перепаде давлений на нем 0,1 МПа (1 бар). Условный коэффициент пропускной способности определяется по формуле:

 ,

где Q - расход жидкости, м³/час;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

∆Р - перепад давления на клапане, бар;

Исходные данные: = 340 м³/час,

∆P = 5 бар,

ρ = 1000 кг/м3.

Подставляя значения в формулу, получим:

Заключение

Автоматизация на объектах, обеспечивающих водоснабжение, необходима для повышения эффективности технологического процесса добычи и транспортировки воды, снижения затрат электроэнергии, повышения качества и надежности подачи воды потребителям.

Разработанная с помощью SCADA-системы Trace Mode 6 система осуществляет контроль необходимых параметров, позволяет управлять параметрами.

Внедрение такой системы позволяет уменьшить влияние человека на систему и сократить количество ошибок и аварийных ситуаций. На предприятии после внедрения такой системы управления может быть сокращена численность персонала, появляется возможность контролировать режимы насоса и параметры всех датчиков в реальном времени, производительность скважины, производить учет воды.

В ходе выполнения курсовой работы были получены навыки проектирования информационно-измерительных каналов (ИИК) технологических величин процесса и автоматических систем регулирования (АСР) с использованием SCADA систем на примере автоматизации артезианской скважины. Закрепила навыки работы в SCADA-системе Trace Mode 6 по созданию экранной формы и программы на языке FBD.

Список используемой литературы

1.      Лопатин А.Г. Методика разработки систем управления на базе SCADA системы Trace Mode: Учебно-методическое пособие / А.Г. Лопатин.-М.: «Вильямс», 2008. - 341 с.

.        ГОСТ 21.404 - 85. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах. - М.: Госстандарт СССР, 1984. - 37 с.

.        Букреев А. В. Основы инструментальной системы разработки АСУ TraceMode / А. В. Букреев. - М.: «Юрайт», 2004. - 742 с.

.        Статья «Артезианская скважина», свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения: 20.12.2013)

.        Сайт некоммерческого партнерства инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизики АВОК [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.abok.ru/ (дата обращения: 20.12.2013)

.        Сайт AdAstra [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.adastra.ru/ (дата обращения: 20.12.2013)

Приложение

Спецификация на приборы и средства автоматизации